大学计算机-应用、计算与思维

计算机基础知识第1章讲课人：***目录01计算机是什么02计算机的诞生与发展03数制和信息编码04计算机的基本工作原理05计算思维基础知识导图本章主要通过阐述计算机是什么，将读者带入计算机的世界，从而介绍了计算机的诞生以及计算机的四个发展阶段，重点讲解了计算机的数制与信息编码、计算机的基本工作原理，最后阐述了读者学习计算机的思维是什么，给读者学习计算机指明了方向。本章内容计算机是什么第1章01人们把21世纪称为信息化时代，其标志就是计算机的广泛应用。在人类科学发展的历史上，还没有哪个学科像计算机科学这样发展得如此迅速，并对人类的生活、学习和工作产生如此巨大的影响。计算机是一门科学，但计算机本身也是一种科学工具，掌握计算机知识以及必要的计算机技能，将使我们更有信心地迎接未来。1.1.1信息系统的基础信息系统（Information

System)的一个基本功能是能够为需要者提供特定的信息，例如一个图书信息系统可以包含许多读者需要的图书信息。计算机是一个现代信息系统必要的组成部分。1.1.1信息系统的基础从计算机的角度看，一个信息系统的信息处理只是一个“计算过程”，构成该过程有6个要素：计算过程硬件软件数据/信息用户过程/处理通信1.1.2数据处理机

计算机所进行的工作都和数据相关，这里我们所指的数据是广义的，它可以是数字、数值，也可以是一组代码，比如储户的账号、身份证代码等；也可以是一种标识，如一个图形的形状；也可以是字母、符号等。这样，我们可以把计算机简单地定义为能够处理数据的机器或装置。图1-1计算机作为数据处理机的模型1.1.3

具有程序能力的数据处理机如果考虑到上述计算机模型所存在的问题，如图1-2所示，一个改进的计算机模型，它是在上述模型的基础上增加了一个部分----程序。程序（Program)可以简单地理解为按照一定的步骤进行工作；作为专业术语，程序是指完成特定功能的计算机指令的集合。图1-2

具有程序能力的计算机模型计算机的诞生与发展第1章021.2.1历史上的自动计算装置人类最原始的计数方法是从石块、手指、木棍、贝壳、绳结等物品开始，到了春秋战国时期，我国出现了“算筹”，就是用人工制成的小棒来进行计数，从而进行加、减、乘、除等运算，我们都知道我国著名的数学家祖冲之将圆周率计算到了小数点后7位，就是借助“算筹”来实现的。结绳计数

算筹计数

算盘帕斯卡机械计算机1.2.2第一台电子计算机1939年，美国依阿华大学的阿塔纳索夫（John

Atanasoff)和他的助手贝里（K.Berry)建造了能求解方程的电子计算机。这台计算机后来被称为

ABC(Atanasoff

BerryComputer)。ABC没有投入实际使用，但它的一些设计思想却为今天的计算机所采用。哈佛大学的霍华德，邓肯在IBM公司的资助下，制造了马克1号（Mark

I）计算机，速度很慢，一个乘法运算需要3-5s。有人把ABC作为第一台“电子数字计算机”，也有人认为真正的第一台计算机是ENIAC。ENIAC之所以具有里程碑的意义，是因为它是第一台可以真正运行的并全部采用电子装置的计算机。诞生于1946年2月14日的美国宾夕法尼亚大学，研制者为宾西法尼亚大学的毛赫利博士（John

Mauchly)和他的研究生艾克特（J.P.Eckert)。ENIAC参考了ABC的许多设计方法。马克1号（Mark

I）计算机ENIAC计算机1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1946-1959年，第一代计算机为电子管计算机。一台名叫UNIVAC(UniversalAutomaticComputer）通用自动计算机的机器在1952年美国大选中预测艾森豪威尔获胜，预测结果和实际统计结果完全相同，它在当时所产生的轰动效应使计算机披上万能的外衣，达到神话的地步。工作人员正在操作UNIVAC(通用自动计算机）1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1959-1963年，第二代计算机为晶体管计算机。1947年，美国贝尔实验室宣布世界上第一只晶体管研制成功。经过十年多的时间，晶体管替代了电子管成了计算机的主要元件。与电子管相比，晶体管体积小，功耗低，更重要的是它的可靠性比电子管要高很多。晶体管1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1963-1975年，第三代计算机叫做集成电路（Integrated

Circuits,IC)计算机。它的应用虽然起自1963年，但作为第三代计算机重要标志的集成电路在1958年就被发明了。集成电路对电子计算机的制造是一场变革。它从根本上改变了计算机的制造过程：在拇指大小的硅片上集成成千上万个电子元件，如图1-9所示，这使计算机能够有更大的内存和处理器，而成本却大大降低。计算机不再昂贵，小公司也可以使用了－这个意义是非同寻常的！集成电路板1.2.3现代计算机

第一代计算机第四代计算机第三代计算机第二代计算机1975至今，由大规模和超大规模集成电路组装成的计算机，被称为第四代电子计算机。第四代计算机的另一个重要的发展方向是高速计算机网络。因特网(Interne)的全开放结构使世界上数以亿计的各种计算机被连接到一起，形成了一个覆盖全球的巨大信息网络，因而诞生了被称为继报纸，杂志、广播及电视之后的“第四媒体”，而且是影响最大的新型传媒。Apple

II计算机，1977IBMPC数制和信息编码第1章031.3.1常用数制1.十进制

十进制是我们常用的数制，由0,1,2,3,4,5,6,7,8,9共10个数字符号表示。采用“逢十进一，借一当十”规则进行进、退位方法。每一位的权值是10i，关于权值我们会在1.3.2中讲到。2.二进制

二进制是计算机中常用的数制，由0,1共2个数字符号表示。采用“逢二进一，借一当二”规则进行进、退位方法。每一位的权值是2i。1.3.1常用数制3.八进制

八进制是计算机中常用的数制，由0,1,2,3,4,5,6,7共8个数字符号表示。采用“逢八进一，借一当八”规则进行进、退位方法。每一位的权值是8i。4.十六进制

十六进制是计算机中常用的数制，由0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F共16个符号表示，其中0-9用数字符号表示，A,B,C,D,E,F共6个字符符号分别表示10,11,12,13,14,15。采用“逢十六进一，借一当十六”规则进行进、退位方法。每一位的权值是16i。1.3.2数制的相关概念1.基数数制中所包含的用来表示数值的符号的个数称为该数制的基数。如十进制由0,1,2,3…9十个数字符号表示，所以十进制的基数为10；二进制由0,1两个数字符号表示，所以二进制的基数为2。2.权权就是数字中当前位置所代表的值，也称为位值。如十进制数个位的权是1表示有几个1，十位的权是10，表示有几个10，百位的权是100，表示有几个100。可以看出权值实际上是基数的整数次幂，如十进制数个位的权是1，也就是100，十位的权是10，也就是101，百位的权是100，也就是102，依次类推。小数点右边从第一位开始，权值分别是0.1（10-1）,0.01（10-2）依次类推。同理，对于二进制数据，同样的位权值为从小数点开始往左的每一位权分别是20,21,22….；从小数点开始往右的每一位权分别是2-1,2-2,2-3….。对于八进制和十六进制也是相似的，只不过分别是80,81,82…和160,161,162…而已。1.3.2数制的相关概念3.按权展开

了解了基数和权的概念后，我们来看下数值的按权展开。首先从我们熟悉的十进制来看，十进制的123，按权展开如下：对于二进制的10110，按权展开如下：由此可见，按权展开的方法就是用当前数位上的值乘以该位的位权，展开后各进制数就转换成了十进制对应的数值。1.3.3计算机与二进制

既然人们已经习惯使用十进制数，其书写也很方便，而二进制数书写起来位数长，看起来也不能一目了然、那么在计算机中为什么要使用二进制数呢？在计算机内采用二进制编码比其他进制数具在如下优点：工作可靠性高适合逻辑运算易于物理实现运算规则简单1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算二进制数只需要使用两个不同的数字符号，任何可以表示两种不同状态的物理器件都可以用来表示二进制数的一位。具有两种稳定状态的物理器件容易实现，如电压的高和低、电灯的亮和灭、开关的通和断、这样的两种状态恰好可以表示二进制数中的“0”和‘1’。二进制与高、低电平状态1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算从运算操作的简便性上考虑，十进制的加法和乘法运算规则各有55条，而二进制的加法和乘法规则只有3条，在进行算术运算时非常简便，简化了运算器等物理器件的设计。1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算由于电压的高低、电流的有无两种状态分明，因此采用二进制的数字信号可以提高信号的抗干扰能力，可靠性高。1.3.3计算机与二进制运算规则简单易于物理实现工作可靠性高适合逻辑运算

二进制的“0”和“1”两种状态，可以表示逻辑值的“真（True)”和“假（False)”，因此采用二进制数进行逻辑运算非常方便。1.3.4数制间的转换1.二进制转换成十进制

在1.3.2的按权展开中，我们已经学到，将二进制数按权展开即可转换为十进制数，这里不在重复介绍。1.3.4数制间的转换2.十进制转换成二进制

因十进制整数部分与十进制小数部分与二进制之间转换的规则不同，所以应该分别对整数部分和小数部分进行转换。下面我们分别介绍十进制整数部分与十进制小数部分与二进制之间的转换。（1）十进制整数部分与二进制之间的转换

十进制整数部分转换为二进制数的方法概括起来就是“除2取余，取倒序”。也就是将一个十进制数不断的除以2，如果除尽余数为0，如果除不尽余数为1，直至商为0为止，然后将每次得到的余数倒序取出，就是对应的二进制数。1.3.4数制间的转换【例1-1】将十进制整数27转换为二进制数。1.3.4数制间的转换（2）十进制小数部分与二进制之间的转换

十进制小数部分转换为二进制的方法概括起来就是“乘2取整，取正序”。也就是将一个十进制小数乘以2，记录下得到的整数部分，然后再对得到的积的小数部分再乘以2，然后记录下得到的整数部分，依次循环，直到小数部分为0或者达到所要求的精度为止。然后将得到的整数部分按正序取出，即转换后的二进制数。1.3.4数制间的转换【例1-2】将十进制数0.375转换成二进制数。1.3.4数制间的转换3.简便的8421法转换

对于二进制和十进制之间的转换，按照位权的理解，可以不必使用上面所讲的“除2取余，取倒序”和“乘2取整，取正序”的方法，而是用位权填充的8421法快速的得出转换结果。转换时首先从小数点开始左右各位的位权依次标出，然后按照转换的数值依次填充即可。1.3.4数制间的转换【例1-3】使用8421法进行十进制数据145.625转换为二进制，二进制数据1011.011转换为十进制。1.3.4数制间的转换对于二进制转换为十进制的方法也类似：1.3.4数制间的转换4.二进制与八进制、十六进制的转换（1）二进制数转换为八进制、十六进制数

将二进制数转换为八进制、十六进制数的方法类似，由于八进制数0-7的表示，需要3位二进制，十六进制0-F的表示需要4位二进制，因此二进制转换为八进制和十六进制时，只需要三位一组或四位一组进行转换即可，划分时从小数点开始分别往左往右进行划分，如果遇到高位不足三位或者四位时，可用0补齐。1.3.4数制间的转换【例1-4】将（100101101）2转换为八进制数。1.3.4数制间的转换【例1-5】将（100101101）2转换为十六进制数。1.3.4数制间的转换（2）八进制、十六进制数转换为二进制数

八进制、十六进制数转换为二进制数与二进制数转换为八进制、十六进制数是一个逆运算。将八进制数、十六进制数的每一位数展开成三位、四位的二进制数即可。1.3.4数制间的转换【例1-6】将（341）8转换成对应的二进制数。【例1-7】将（1A4）16转换成对应的二进制数。5.十进制与八进制、十六进制的转换（2）八进制、十六进制数转换为二进制数

和十进制与二进制间转换类似，可用八进制与十六进制的定义规则来完成向十进制的转换，反向的转换同样可采用“除8取余“和“乘8取整”的方法可将十进制数转化为八进制数，而用“除16取余”和“乘16取整”的方法可将十进制数转化为十六进制数。5.十进制与八进制、十六进制的转换【例1-8】将十进制整数396转换为八进制数。5.十进制与八进制、十六进制的转换【例1-9】将十进制数0.71875转换成八进制数。十进制转换成十六进制得方法与例1-8与1-9类似，将“除八”与“乘八”改为“除十六”与“乘十六”即可1.3.5二进制数的运算1.算数运算

二进制数的算术运算与十进制数的算术运算一样，也包括加、减、乘和除四则运算，但运算更简单、其实，在计算机内部，二进制的加法是基本运算，乘、除可以通过加、减和移位来实现、面减法实质是加上一个负数，这主要是应用了补码运算，这样就可使计算机的运算器结构更加简单，稳定性更好。1.3.5二进制数的运算（1）二进制数的加法运算二进制数的加法运算规则是：0=0+00+1=11+0=11+1=10(被加数和加数为1时，结果本位为0,按逢二进一向高位进1)【例1-10】二进制数1011+1110的算式如下：1.3.5二进制数的运算（2）二进制数的减法运算二进制数的减法运算规则是：0-0-01-1-01-0=110-1=1(被减数个位为0,减数为1时，结果本位为1,向高位借1)【例1-11】二进制数11011-1110的算式如下：1.3.5二进制数的运算2.逻辑运算

计算机不仅可以进行算术运算，而且也能够进行逻辑运算，这是因为计算机中使用了实现各种逻辑功能的电路，并利用逻辑代数的规则进行各种逻辑判断。1.3.5二进制数的运算（1）逻辑数据的表示

二进制数的1和0,在逻辑上可代表真与假、是与非、对与错、有与无。这种具有逻辑性的量称为逻辑量，逻辑量之间的运算称为逻辑运算，逻辑运算是以二进制数为基础的。1.3.5二进制数的运算（2）逻辑运算在计算机中，逻辑数据的值用于判断某个事件成立与否，成立为真，反之为假，例如，“今天是晴天”这个事件用A表示，则事件A成立为1,不成立为0。逻辑运算主要包括三种基本运算；逻辑或（逻辑加）、逻辑与（逻辑乘）、逻辑非。在逻辑运算中，把逻辑变量的各种可能组合与对应的运算结果列成表格，这种表格称为真值表，一般在真值表中用1表示真，用0表示假。1.3.5二进制数的运算①逻辑非运算逻辑非表示同原事件A含义相反，可用表示，逻辑非的运算规则如下：1.3.5二进制数的运算②逻辑与运算逻辑与也称为逻辑乘，通常用“AND”、“x”、“，”、“A”表示，逻辑与表示当A、B两个事件同时为真时，结果才为真，A,B两个事件只要有一个为假，则结果为假。1.3.5二进制数的运算③逻辑或运算逻辑或也称为逻辑加，通常用“OR”、“＋”、“V”表示。逻辑或表示当A、B两个事件只要有一个为真，结果就为真，只有当A、B两个事件都为假时，结果才为假。1.3.6数值型数据的表示及处理1.定点数表示

定点数的含义是约定小数点在某一固定位置上，定点数的表示法有两种约定：定点整数和定点小数。整数用定点数表示时，约定小数点的位置在数值的最右边。整数分两类：无符号整数和有符号整数。1.3.6数值型数据的表示及处理1.定点数表示

定点数的含义是约定小数点在某一固定位置上，定点数的表示法有两种约定：定点整数和定点小数。整数用定点数表示时，约定小数点的位置在数值的最右边。整数分两类：无符号整数和有符号整数。1.3.6数值型数据的表示及处理1.定点数表示

定点数的含义是约定小数点在某一固定位置上，定点数的表示法有两种约定：定点整数和定点小数。整数用定点数表示时，约定小数点的位置在数值的最右边。整数分两类：无符号整数和有符号整数。（1）无符号整数无符号整数常用于表示地址等正整数，可以是8位、16位、32位或更多位数。1.3.6数值型数据的表示及处理（2）有符号整数

有符号整数使用一个二进制位作为符号位，一般最高位为符号位，“0”代表正号“＋”（正数）、“1”代表负号“－”（负数），其余各位用来表示数值的大小，可以采用不同的方法表示有符号整数、一般有原码、反码和补码。原码：表示是将最高位作符号位，其余各位用数值本身的绝对值（二进制形式）表示。反码：如果一个数值为正，则它的反码与原码相同；如果一个数值为负，则符号位为1,其余各位是对数值位取反。补码：正数的原码、反码、补码都是相同的；负数的最高位为1,其余各位为数值位的绝对值取反，然后对整个数加1。1.3.6数值型数据的表示及处理2.浮点数表示

在一定的字长下，整数表示的数值范围是有限的，这在许多应用特别是科学计算中是不够用的。因此，为了能在计算机中表示既有整数部分又有小数部分的数以及一些特别大的数或特别小的数，通常引入浮点表示方法来表示实数。1.3.7文字的表示及处理1.西文字符编码

目前，计算机中使用最广泛的西文字符编码是ASCII码，另外还有EBCDIC码。（1）ASCII码

我们常用的字符编码是ASCII（AmericanStandardCodeInformationInterchange，美国标准信息交换代码）。它是美国国家标准学会制定的一个标准，规定了常用的字符对应的编号，目前该标准已经被认定为国际标准，适用于所有拉丁文字字母。（2）EBCDIC码

符号数据的表示方法除了最常用的ASCII编码外，还有一种用8位二进制数位表示一个字符的扩充二-十进制转换码EBCDIC。1.3.7文字的表示及处理2．汉字编码

汉字信息较为复杂，不像英文信息都是由26个字符的组合而成。计算机的键盘上只有对应的字符、字母按键，那么汉字信息如何编码，如何存储呢？读者会说我们现在不都用键盘输入吗？键盘上的字母对应汉字的拼音不就可以了？可是大家有没有想过？如过计算机就是按拼音对应的ASCII码来进行存储，那么多同音字不都是一个编码了吗？如果不是，每一个汉字是如何编码的？（1）GB2312-80汉字编码（2）GBK汉字内码扩展规范（3）UCS/Unicode汉字编码（4）GB18030-2000编码（5）BIG5编码1.3.7文字的表示及处理3.汉字的输入输出（1）汉字输入键盘输人联机手写文字识别汉字语音识别脱机文字识别（2）汉字输出点阵表示矢量表示1.3.7文字的表示及处理4.文本处理

在计算机中，用文本表示一串有意义的文字及符号信息，是最常用也是最基本的一种数字媒体，使用计算机作为文本制作的工具，比传统的手写、打字或铅字排版等具有许多优点，它提高了文本制作的质量与效率，可以方便地进行编辑、排版和各种分析处理（如统计、排序、分类、索引、检索等）。（1）文本的编辑（2）文本的处理（3）常用文本处理软件（4）常见文本类型1.3.7文字的表示及处理4.文本处理

在计算机中，用文本表示一串有意义的文字及符号信息，是最常用也是最基本的一种数字媒体，使用计算机作为文本制作的工具，比传统的手写、打字或铅字排版等具有许多优点，它提高了文本制作的质量与效率，可以方便地进行编辑、排版和各种分析处理（如统计、排序、分类、索引、检索等）。（1）文本的编辑（2）文本的处理（3）常用文本处理软件（4）常见文本类型计算机的基本工作原理第1章041.4.1图灵机的基本思想图灵认为，计算是计算者（人或机器）对一条两端可无限延长的纸带上的一串0或1,行指令一步一步地改变纸带上的0或1,经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串变换过程。

图灵机原理示意图1.4.2冯.诺依曼计算机

冯·诺依曼计算机的基本思想是存储程序的思想，即“将指令和数据以同等地位事先存于存储器中，可按地址寻访，机器可从存储器中读取指令和数据，实现连续和自动地执行”，它将存储和执行分别进行实现，解决了计算速度（快）与输入输出速度（慢）的匹配问题。为实现存储程序的思想，冯·诺依曼将计算机分解为5大部件：计算思维基础第1章051.5.1计算技术与计算系统的奠基性思维“程序”的思维：

一个复杂系统是怎样实现的？系统可被认为是由基本动作（注：基本动作是容易实现的）以及基本动作的各种组合所构成（注：多变的、复杂的动作可由基本动作的各种组合来实现）。因此实现一个系统仅需实现这些基本动作以及实现一个控制基本动作组合与执行次序的机构。对基本动作的控制就是指令；而指令的各种组合及其次序就是程序。系统可以按照“程序”控制“基本动作”的执行以实现复杂的功能。指令与程序的思维体现了基本的抽象、构造性表达与自动执行思维，计算机或者计算系统就是能够执行各种程序的机器或系统，也是最重要的一种计算思维。1.5.1计算技术与计算系统的奠基性思维“递归”的思维：

递归是可以用自相似方式或者自身调用自身方式不断重复的一种处理机制，是以有限的表达方式来表达无限对象实例的一种方法，是最典型的构造性表达手段与重复执行手段，被广泛地用于构造语言、构造过程、构造算法、构造程序。递归体现了计算技术的典型特征，是实现问题求解的一种重要的计算思维。计算理论认为，递归函数是可计算函数的精确的数学描述，图灵机本质上也是递归：图灵可计算函数与递归函数等价，凡可计算的函数都是一般递归函数，即丘奇一图灵命题，说明计算系统是一种可递归计算的系统，由此也可看出递归对计算技术与计算系统的奠基性思维作用。1.5.2通用计算环境的进化思维

计算之树的树干体现的是通用计算环境暨计算系统的发展与进化。深入理解通用计算系统所体现出的计算思维对于理解和应用计算手段进行各学科对象的研究，尤其是专业化计算手段的研究有重要的意义。1.5.3交替促进与共同进化的问题求解思维

利用计算手段进行面向社会／自然的问题求解思维，主要包含交替促进与共同进化的两个方面：算法和系统。

算法和系统就好比是：系统是龙，而算法是睛，既要画龙，又要点睛。1.5.4计算与社会/自然环境的融合思维

计算之树的树枝体现的是计算学科的各个分支研究方向，如智能计算、普适计算、个人计算、社会计算、企业计算、服务计算等，也体现了计算学科与其他学科相互融合产生的新的研究方向，如计算物理学、计算化学、计算生物学、计算语言学、计算经济学等。1.5.5网络化思维与数据化思维

由树干到树枝绘制三个同心半圆可将计算之树划分为三个层次来表征计算之树的另外两个维度：网络化思维维度与数据化思维维度。1.5.5网络化思维与数据化思维

由树干到树枝绘制三个同心半圆可将计算之树划分为三个层次来表征计算之树的另外两个维度：网络化思维维度与数据化思维维度。本章小结

通过本章学习，使读者理解了计算机是什么，熟悉了计算机的诞生与发展，掌握了计算机的数制以及转换，了解了计算机的信息编码，掌握了计算机的基本工作原理，从而对计算机有了初步的认识，为后续的学习奠定了基础知识。谢谢大家观看第3章讲课人：***

计算机系统第2章讲课人：***目录01现代计算机系统02计算机的硬件系统03计算机的软件系统04操作系统05云计算知识导图

本章节通过硬件系统和软件系统两方面去阐述计算机系统的组成，重点讲解计算机的分类、硬件系统的组成、软件系统的分类、操作系统的主要功能，软硬件如何协同运行程序，以及未来计算机系统的发展趋势。本章内容现代计算机系统第2章012.1现代计算机系统根据计算机性能不同，可以把计算机分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机。根据计算机的综合性能指标，结合计算机应用领域的不同将其分为：高性能计算机、微型计算机、工作站、服务器、嵌入式计算机。高性能计算机

高性能计算机也就是俗称的超级计算机，或者以前所说的巨型机,此类计算机往往有突出的计算能力、存储能力、数据处理(吞吐量)能力。目前国际上对高性能计算机的最为权威的评测是世界计算机排名500(即TOP500)，通过测评的计算机是目前世界上运算速度和处理能力均堪称一流的计算机。TOP500超级计算机榜网址：/神威·太湖之光超级计算机运算能力：93.015PFlops/每秒运行9.3015亿亿条浮点运算指令。2.1.1计算机的分类2.1.1计算机的分类高性能计算机

高性能计算机也就是俗称的超级计算机，或者以前所说的巨型机,此类计算机往往有突出的计算能力、存储能力、数据处理(吞吐量)能力。目前国际上对高性能计算机的最为权威的评测是世界计算机排名500(即TOP500)，通过测评的计算机是目前世界上运算速度和处理能力均堪称一流的计算机。TOP500超级计算机榜网址：/神威·太湖之光超级计算机运算能力：93.015PFlops/每秒运行9.3015亿亿条浮点运算指令2.1.1计算机的分类2.1.1计算机的分类2.1.1计算机的分类

微型计算机

简称微机，又叫做个人电脑，英文缩写PC(PersonalComputer)。目前微机已广泛应用于办公、学习、娱乐等社会生活的方方面面，在我国经过近30年的发展，现在已普及。我们日常使用的台式计算机、笔记本计算机、掌上型计算机等都是微型计算机。现在的微机，计算性能已在10亿条指令/秒以上。2.1.1计算机的分类工作站工作站是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器以及容量很大的内存储器和外部存储器，主要面向专业应用领域，具备强大的数据运算与图形、图像处理能力。工作站主要是为满足工程设计、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能微型计算机。2.1.1计算机的分类

服务器

服务器是指在网络环境下为网上多个用户提供共享信息资源和各种服务的一种高性能计算机，在服务器上需要安装网络操作系统、网络协议、各种网络服务软件以及数据库管理系统软件等。服务器主要为网络用户提供文件、数据库、Web应用及通信方面的服务。2.1.1计算机的分类

嵌入式计算机

嵌人式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式的含义是说硬件实体往往需要嵌入到应用对象内部中，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。例如，我们日常生活中使用的电冰箱、全自动洗衣机、空调、电饭煲、数码产品、手机、网络路由器等都采用嵌入式计算机技术。2.1.2计算机系统的组成计算机的硬件资源

通常将一个计算机系统的计算能力、存储容量、数据处理能力（数据吞吐量）和输入输出外设看作是该计算机的硬件资源。很明显，这5种计算机系统中，硬件资源最丰富、性能最强的当属高性能计算机，而硬件资源和性能最弱的是嵌入式计算机。计算机的软件资源

计算机的软件资源，包括计算机系统上的各种程序、文档、数据、服务等，因此，我们所说的计算机系统，往往包涵着硬件系统和软件系统这两个部分。硬件系统是计算机的物理实体，相当于人的躯体，软件系统是计算机上的程序、数据和文档的集合，相当于人的思想和灵魂。微机系统的组成2.1.2计算机系统的组成2.1.2计算机系统的组成计算机的硬件系统第2章02

冯·诺依曼体系结构以CPU为中心，CPU的负担很重，成为计算机速度提高的“瓶颈”；其次，CPU要频繁访问存储器，而实际CPU的速度要高出存储器几个数量级，存在CPU与存储器之间的“瓶颈”；同时，CPU执行命令时是串行的，并且由控制器集中控制，因此造成指令的执行效率低下。

对于这一问题，计算机系统的设计者提出计算机的总线结构，即主机的各功能部件（CPU、内存、I/O控制器）之间通过总线相连接。2.2计算机的硬件系统2.2.1CPU——解释执行指令的引擎

计算机如何理解和执行程序呢？这需要理解中央处理器（CPU）的工作机制。

CPU包括运算器和控制器两大部件。运算器有一个算术逻辑运算单元和若干临时存储数据的数据寄存器，算术逻辑运算部件的两个输入端和输出端均与这些寄存器相连接，表示两个操作数和运算结果都可以由这些寄存器来存储。运算器的实现机理在第1章中已有介绍，本质上即由基本门电路实现的多位加法器（可实现加减法），以及由加法器进一步实现的各种复杂一些的算术逻辑运算，它们可被指令区分是做哪种运算。2.2.1CPU——解释执行指令的引擎

控制器中也有一些寄存器：用于存放当前正在执行指令的指令寄存器IR;用于存放下一条指令地址的程序计数器PC；存储器中的内容寄存器分别与运算器中的数据寄存器、控制器中的指令寄存器相连接，说明存储器中的内容既可送给（或来自）运算器，也可送给（或来自）控制器。那么究竟送给（或来自）谁呢？这需要控制。控制器中有一个信号发生器，专门产生控制信号以便控制各部件的正确运行：可以控制运算器中的数据寄存器接收来自存储器的数据，可以控制指令寄存器接收来自存储器的数据，可以控制运算器开始运算，可以控制存储器开始读或写工作，可以控制程序寄存器自动加一以指向下一条指令的地址等。产生的控制信号有时间冲突怎么办？控制器中还有一个时钟与节拍发生器，不同的信号在不同的时钟节拍下发出，即通过时钟与节拍控制，使控制信号有序地产生与发挥作用。2.2.1CPU——解释执行指令的引擎

当执行程序时，控制器会先命令内存，从中读取出来一条指令，通过PC的指示，从内存中取出的当前指令，暂存在IR中进行指令的分析；接着，CU用来分析指令所需要完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用于控制计算机内的各个部件有条不紊的工作；最后通过CU按照分析的结果来发送相应的控制信号或者微操作命令，以实现该指令的执行结果。计算机就是按照PC的指示，不停地从内存中取出指令，放置在IR中进行分析，并根据分析结果通过运算器的运算，完成指定的操作，如此循环往复，直到最后的指令全部执行完毕为止。2.2.2存储器—按地址自动存取信息的部件

1.寄存器

CPU内部有若干寄存器，每个寄存器可以存储一个字（少则一个字节、多则8个字节）。它和CPU采用相同工艺制造，速度可以和CPU完全匹配，但其存储容量却特别少，只能用于指令级数据的临时存储。

2.主存

主存也称为内存，由半导体存储单元组成，按其功能特征可分为两类。一类是只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM），它是一种只能读出不能写入的存储器，用于存放那些固定不变的、不需修改的程序，ROM必须在电源电压正常时才能工作，断电后，其中存储的信息不会丢失，一旦正常供电，就能提供信息。另一类是随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM），它既允许读出也允许写入信息，用于存放用户程序和数据。RAM也只能在电源电压正常时才能工作，所不同的是一旦断电，记录的信息将全部丢失。2.2.2存储器—按地址自动存取信息的部件

3.辅助存储器

又称外存储器、外存，主要用来长期存放计算机工作所需的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等。计算机实际执行程序和加工处理数据时，外存中的信息需要先传送到内存后才能被CPU使用。外存储器的容量一般都比较大，而且大部分可以移动，便于不同计算机之间进行信息共享。计算机中的外部存储设备种类非常多，主要有光盘、硬盘、U盘、云存储等，不过目前使用最多的还是硬盘。从存储数据的介质上来区分，硬盘可分为机械硬盘和固态硬盘，机械硬盘采用磁性盘片来存储数据，而固态硬盘通过闪存颗粒来存储数据。2.2.2存储器—按地址自动存取信息的部件4.存储体系

将性能不同的存储器整合成一个整体，使用户感到容量像外存的容量，速度像内存的速度，内存外存的成本又能满足用户的期望。现代计算机的存储体系2.2.3I/O设备—与计算机进行数据传输的硬件显示器显示器属于输出设备，目前有：CRT，LCD（液晶）和PDP等离子显示器三种。由于CRT既笨重又耗电，等离子显示器尺寸大、价格过高等原因，LCD显示器目前成为主流。LCD主要性能指标有：响应时间、可视角度、点距、分辨率、刷新率、亮度、对比度等。

键盘和鼠标键盘和鼠标是微机系统的输入设备，它们负责将指令和信息输入到电脑中去。鼠标和键盘分为无线的和有线的两种。2.2.3I/O设备—与计算机进行数据传输的硬件计算机的软件系统第2章032.3计算机软件系统计算机软件是计算机的灵魂，是计算机应用的关键。所谓软件是指为了方便使用计算机和提高效率而组织的程序，以及程序运行时所需要的数据、关于程序的功能和使用的有关文档。计算机安装的各种软件都有自身功能，软件种类不同，其特点也不同。一般可将软件系统分为系统软件和应用软件两大类。2.3计算机软件系统软件系统2.3.1系统软件具有代表性的系统软件有：1、操作系统操作系统（OperatingSystem，OS）是现代计算机系统中必不可少的最重要的系统软件，负责管理计算机硬件（如CPU、内存空间、输入输出设备）和软件资源（如文件系统），以方便用户充分、有效地利用这些资源并增强整个计算机的处理能力为目的。它是最底层的软件，控制计算机系统的所有软件并管理整个计算机的资源，是计算机与用户之间的桥梁。缺少它，用户也就无法使用任何软件。

常见的操作系统有DOS、MacOS、Windows、Unix以及各种嵌入式操作系统（如Android）等。2.3.1系统软件

2、语言处理程序除了机器语言程序外，其他软件语言编写的程序都不能直接在计算机上执行。因此需要把用程序语言（包括汇编语言和高级语言）编写的各种程序变换成可在计算机上执行的程序，这一转换是由翻译程序来完成的。翻译程序除了要完成语言间的转换外，还要进行语法、语义等方面的检查，翻译程序统称为语言处理程序，按照不同的翻译处理方法可分为三类：汇编程序、编译程序和解释程序。2.3.1系统软件

（1）汇编程序

汇编程序是把汇编语言书写的程序翻译成与之等价的机器语言程序的翻译程序。汇编程序输入的是用汇编语言书写的源程序，输出的是用机器语言表示的目标程序。汇编语言的指令与机器语言的指令大体上保持一一对应的关系，因此编写出的程序虽不如高级程序设计语言简便、直观，但是汇编出的目标程序占用内存较少、运行效率较高，且能直接引用计算机的各种设备资源。源程序目标程序汇编汇编指令程序机器语言程序汇编程序的工作过程2.3.1系统软件

（2）编译程序编译程序（Compile），又称编译器，功能是将高级语言书写的源程序翻译成等价的机器语言目标程序。我们知道，源程序语言种类成千上万，从常用的C、Java、FORTRAN语言，到各种各样的计算机应用领域的专用语言，翻译工作是个非常复杂的过程。通常将整个工作过程按阶段进行，每个阶段将源程序的一种表示形式转换成另一种表示形式，各个阶段进行的操作在逻辑上市紧密连接在一起的。编译程序的处理过程2.3.1系统软件

（3）解释程序解释程序是另一种语言处理程序，它将高级语言书写的源程序作为输入，一个个的获取、分析并执行源程序语句，解释一句后就提交计算机运行，直接输出结果，并不生成目标程序。解释程序源程序原始数据运行结果解释程序的翻译过程2.3.1系统软件

3、数据库管理系统数据库管理系统（DataBaseManagementSystem），简称DBMS，是安装在操作系统之上的一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。常用的数据库管理系统有Access、Oracle、SQLserver、SYBASE、DB2等。Access数据库管理系统2.3.1系统软件

4、服务程序服务程序是一类辅助性的程序，它提供一些常用的服务性功能，为用户开发程序和使用计算机提供了方便，像微机上经常使用的诊断程序、调试程序、编辑程序均属此类。2.3.2应用软件

应用软件是用高级程序设计语言编写出来的具有特定功能的，为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的那部分软件，它可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。按用途划分，较常见的应用软件如下：1、办公软件计算机的一个很重要的工作就是日常办公，微软开发的Office系列和金山开发的WPS系列办公软件，包含了进行文字处理、表格制作、幻灯片制作、图形图像处理、简单数据库的处理等方面工作的组件。这些组件协同使用，基本可以满足日常办公的需要。2.3.2应用软件

2、各种工具软件常用的工具软件包括：杀毒软件、数据压缩软件、数据备份与恢复、多媒体播放软件、浏览器、聊天软件、下载软件等。例如：360安全卫士、WinRAR、Ghost、Thunder、暴风影音、QQ等。3、信息管理软件信息管理软件，是对信息数据进行收集整理，并提供数据处理及数据查询等相关功能的程序。这种软件一般需要数据库管理系统进行后台支撑，由高级程序设计语言进行前台开发。例如：仓库管理系统、人事管理系统、工资管理系统等。2.3.2应用软件

4、辅助设计软件

辅助设计软件用于辅助设计的软件，一般适用于建筑、机械、电子、服装等方面的绘图设计。例如：二维绘图设计、三维几何造型设计等。这种软件一般需要AutoCAD和程序设计语言、数据库管理系统等的支持。5、实时控制软件实时控制软件用于随时获取运行状态信息，并根据信息实施自动或半自动控制。较多用于工业控制、火力控制等领域。操作系统第2章042.4计算机的管家—操作系统操作系统作为一种特殊的用于控制计算机(硬件)的软件(程序)，是计算机底层的系统软件，负责管理、调度、指挥计算机的软硬件资源使其协调工作，没有它，任何计算机都无法正常运行。它在资源使用者和资源之间充当中间人的角色。操作系统是用户和计算机硬件的接口，同是也是计算机硬件和其他软件的接口。操作系统在计算机系统中所处的位置非常重要。2.4计算机的管家—操作系统操作系统所处的位置2.4.1操作系统对计算机资源的管理

操作系统是计算机的管家，是现代计算机系统不可缺少的重要组成。它是这样一些程序模块的集合-----它们管理和控制计算机系统的软件和硬件资源，合理地组织计算机工作流程，以便有效的利用这些资源为用户提供一个功能强大、使用方便和可扩展的工作环境，从而在计算机与其用户之间起到接口的作用。

操作系统是最重要且最基本的系统软件之一，是计算机系统的控制和管理中心。其目标表现在以下四个方面：1、有效性2、方便性3、可扩充性4、开放性2.4.1操作系统对计算机资源的管理2.4.1操作系统对计算机资源的管理

操作系统的作用：1、作为用户与计算机硬件系统之间的接口，用户可通过命令方式，系统调用方式，图形-窗口方式来使用计算机。如图分别为命令方式和图形-窗口方式。命令方式图形-窗口方式

2、作为计算机系统资源的管理者。在一个计算机系统中，通常都含有多种硬件和软件资源。为了有效地利用计算机系统的各种资源，如处理机时间、内存空间、外部设备、数据和程序等，操作系统必须为用户承担起对计算机资源的管理任务。2.4.1操作系统对计算机资源的管理2.4.1操作系统对计算机资源的管理

3、扩展计算机的功能操作系统是铺设在计算机硬件上的多层系统软件，是对计算机硬件的一个软件包装。不仅增强了系统的功能，而且还隐藏了对硬件操作的细节。将裸机改造成为功能更强大、使用更方便的虚拟机和扩展机，为使用人员提供了一个更便于使用的计算机系统。2.4.1操作系统对计算机资源的管理

操作系统位于底层硬件和用户之间，是两者沟通的桥梁。主要任务是管理和控制计算机系统中的所有资源，合理地组织计算机工作流程，并为用户提供一个良好的工作环境和友好的接口。计算机系统的主要硬件资源有处理器、存储器、外部设备，软件资源以文件形式存在外存储器上。因此从资源管理和用户接口的观点上看，操作系统具有处理机管理、存储管理、设备管理、文件管理和提供用户接口的功能。2.4.1操作系统对计算机资源的管理

1、处理机管理功能计算机系统中处理机（即CPU）是最宝贵的系统资源，处理机管理的目的是要合理地分配时间，以保证多个作业能顺利完成并且尽量提高CPU的效率，使用户等待的时间最少。例如：在Windows操作系统内，一般都有多个任务同时存在，这些任务都是由处理机执行，而同一时刻处理机只能执行一个任务，需要将处理机的时间合理、动态地分配各个任务。操作系统对处理机管理策略不同，提供作业处理方式也就不同，例如，批处理方式、分时处理方式和实时处理方式。处理机管理包括：进程控制、进程同步、进程通信、进程调度。2.4.1操作系统对计算机资源的管理

（1）进程的概念进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是操作系统结构的基础。进程能够申请和拥有系统资源，是应用程序的一次动态执行，具有生命周期。2.4.1操作系统对计算机资源的管理

Windows10系统某时刻的部分进程2.4.1操作系统对计算机资源的管理

进程有以下特征：①动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。②并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行③独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；④异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。2.4.1操作系统对计算机资源的管理

（2）进程的状态进程执行时的间断性决定了进程可能具有多种状态。事实上，运行中的进程可能具有三种基本状态：就绪态、运行态、阻塞态。进程的状态和转换2.4.1操作系统对计算机资源的管理

（3）多道程序设计

所谓多道程序设计指的是允许多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并启动进行计算的方法。也就是说，计算机内存中可以同时存放多道（两个以上相互独立的）程序，它们都处于开始和结束之间。从宏观上看是并行的，多道程序都处于运行中，并且都没有运行结束；从微观上看是串行的，多道程序轮流使用CPU，交替执行。引入多道程序设计的根本目的是为了提高CPU的利用率，充分发挥计算机系统部件的并行性，现代计算机系统都采用了多道程序设计技术。2.4.1操作系统对计算机资源的管理多道程序工作的示例2.4.1操作系统对计算机资源的管理

2、存储器管理功能存储器管理主要是针对内存的管理。虽然计算机硬件一直在飞速发展，内存容量也在不断增长，但是仍然不可能将所有用户进程和系统所需要的全部程序及数据放入内存中，所以操作系统必须将内存空间进行合理地划分和有效地动态分配。有效的内存管理在多道程序设计中非常重要，不仅方便用户使用存储器、提高内存利用率，还可以通过虚拟技术从逻辑上扩充存储器。2.4.1操作系统对计算机资源的管理

存储器管理主要包括：（1）内存空间的分配与回收：由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦，提高编程效率。（2）地址转换：在多道程序环境下，程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致，因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。（3）内存空间的扩充：利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存。（4）存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰。2.4.1操作系统对计算机资源的管理虚拟内存空间2.4.1操作系统对计算机资源的管理

3、设备管理功能当用户程序要使用外部设备时，设备管理控制（或调用）驱动程序使外部设备工作，并随时对该设备进行监控，处理外部设备的中断请求等。2.4.1操作系统对计算机资源的管理设备管理2.4.1操作系统对计算机资源的管理磁盘管理2.4.1操作系统对计算机资源的管理

4、文件管理功能

以上三种管理都是针对计算机的硬件资源的管理。文件管理则是对软件资源的管理。为了管理庞大的系统软件资源及用户提供的程序和数据，操作系统将它们组织成文件的形式，操作系统对软件的管理实际上是对文件系统的管理。（1）文件和文件夹文件是一组有名称的相关信息的集合，程序和数据都是以文件形式存放在计算机的磁盘上，文件夹则是用来管理一组相关文件的集合。（2）文件系统文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构；即在磁盘上组织文件的方法。也指用于存储文件的磁盘或分区，或文件系统种类。常见的文件系统有FAT、NTFS、exFAT等。2.4.1操作系统对计算机资源的管理树形结构目录

存储体系、进程管理体系及任务－作业体系的建立为计算机执行更为复杂、多样化的程序提供了可能，而CPU速度的不断提高，也为其能并行地执行多个任务、同时为多个用户服务提供了可能。而这一切都要依赖操作系统对CPU所实现的有效管理，它扩展了硬件的功能，在同一时刻，内存中会有多个进程存在，而CPU只有一个，如何由一个CPU执行多个进程呢？CPU要执行哪一个进程呢？2.4.2操作系统对计算机资源的协同

1.分时调度策略操作系统可支持多用户同时使用计算机，即一个CPU可执行多个进程。怎样让所有进程（及进程相关的用户）都感觉到其独占CPU呢？人们发明了分时调度策略，即把CPU的被占时间划分成若干段时间，每段间隔特别小，CPU按照时间段轮流执行每一个进程，从而使得每个进程都感觉其在独占CPU.这就是典型的分时调度思维，它有效地解决了单一资源的共享使用问题。2.4.2操作系统对计算机资源的协同

2.多处理机调度策略

分时调度策略解决了多任务共享使用单一资源的问题，如果任务或计算量很大，能否用多CPU来协同解决呢？答案是可以的。可以将一个大计算量的任务划分成若干个可由单－CPU解决的小任务，分配给相应的CPU来执行，当这些小任务被相应的CPU执行完后再将其结果进行合并处理后形成最终的结果返回给用户，这就是典型的多处理机调度策略，采用分布式或并行的方式来求解大型计算任务相关的问题，例如典型的“线程”即描述类似这种小任务的一个程序，多线程技术可控制多个计算机（或嵌入式自主设备）协同地进行问题求解。2.4.2操作系统对计算机资源的协同2.4.2操作系统对计算机资源的协同2.4.3操作系统的发展过程

操作系统与计算机硬件的发展息息相关。操作系统的发展就是一部解决计算机系统需求与问题的历史。从无操作系统计算机到脱机输入，输出，在后来的单道批处理系统到多道批处理系统，再到分时系统，实时系统，操作系统在不断飞速发展。2.4.3操作系统的发展过程

1、批处理系统这种方式通常是把一批作业以脱机方式输入到磁带上，并在系统中配上监督程序（Monitor），在它的控制下使这批作业能一个接一个地连续处理。其自动处理过程是：首先，由监督程序将磁带上的第一个作业装入内存，并把运行控制权交给该作业。当该作业处理完成时，又把控制权交还给监督程序，再由监督程序把磁带（盘）上的第二个作业调入内存。计算机系统就这样自动地一个作业一个作业地进行处理，直至磁带（盘）上的所有作业全部完成。批处理操作系统分为单道批处理系统和多道批处理系统。批处理操作系统不具有交互性。2.4.3操作系统的发展过程

2、分时系统

20世纪70年代前后，出现了分时操作系统。分时系统与多道批处理系统之间有着截然不同的性能差别，它能很好地将一台计算机提供给多个用户同时使用，提高计算机的利用率。这类系统在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。它将CPU的时间划分成若干个片段（称为时间片），以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。由于时间间隔很短，每个用户的感觉就像他独占计算机一样。分时操作系统典型的例子就是Unix和Linux的操作系统。2.4.3操作系统的发展过程

3、实时系统实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统，要求对外部请求在严格时间范围内做出反应，具有高可靠性和完整性，其主要特点是资源的分配和调度首先要考虑实时性然后才是效率。实时操作系统有硬实时和软实时之分，硬实时要求在规定的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时保证的；软实时则只要按照任务的优先级，尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统，如微软的WindowsNT或IBM的OS/390本身具有实时系统的特征，即使不是严格的实时系统，也能解决一部分实时应用问题。2.4.4典型操作系统

操作系统的种类相当多，各种设备安装的操作系统可从简单到复杂，可分为智能卡操作系统、实时操作系统、传感器节点操作系统、嵌入式操作系统、个人计算机操作系统、多处理器操作系统、网络操作系统和大型机操作系统。按照操作系统应用领域，可分为桌面操作系统、服务器操作系统、嵌入式操作系统；按照操作系统所支持用户数可分为单用户操作系统(如MSDOS、OS/2．Windows)、多用户操作系统(如UNIX、Linux、MVS)；按照操作系统源码开放程度可分为开源操作系统（如Linux）和非开源操作系统（如MacOS、Windows）；2.4.4典型操作系统

按照操作系统硬件结构可分为网络操作系统(Netware、WindowsNT、OS/2warp)、多媒体操作系统(Amiga)、和分布式操作系统等；按照操作系统环境可分为批处理操作系统（如MVX、DOS/VSE）、分时操作系统（如Linux、UNIX、XENIX、MacOS）、实时操作系统（如iEMX、VRTX、RTOS，RTWINDOWS）；按照操作系统存储器寻址宽可以将操作系统分为8位、16位、32位、64位、128位的操作系统。早期的操作系统一般只支持8位和16位存储器寻址宽度，现代的操作系统如Linux和Windows7都支持32位和64位。2.4.4典型操作系统DOS操作系统DOS2.4.4典型操作系统MacOSMacOS2.4.4典型操作系统

Windows

Windows2.4.4典型操作系统LinuxLinux2.4.4典型操作系统麒麟操作系统麒麟2.4.4典型操作系统鸿蒙鸿蒙未来计算机系统第2章05指令和数据存储在同一个存储器中，形成系统对存储器的过分依赖。如果存储器件的发展受阻，系统的发展也将受阻。指令在存储器中按其执行顺序存放，影响系统执行的速度。存储器是按地址访问的线性编址，按顺序排列的地址访问，利于存储和执行的机器语言指令，适用于作数值计算。但是高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不按地址访问。机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔，消除语义间隔成了计算机发展面临的一大难题。2.5.1现代计算机系统的局限性冯·诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破。传统的冯·诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是执行指令代码对数值代码进行处理，只要指令明确，输入数据准确，启动程序后自动运行而且结果是预期的。一旦指令和数据有错误，机器不会主动修改指令并完善程序。而人类生活中有许多信息是模糊的，事件的发生、发展和结果是不能预期的，现代计算机的智能程度无法应对如此复杂的任务。2.5.1现代计算机系统的局限性

1.计算机体系结构的发展

近几年来人们努力谋求突破传统冯·诺依曼体系结构的局限，各类非冯·诺依曼体系计算机的研究蓬勃发展：

（1）对传统冯·诺依曼机进行改良，如传统体系计算机只有一个处理部件是串行执行的，改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。

（2）由多个处理器构成系统，形成多指令流多数据流支持并行算法结构。

（3）否定冯·诺依曼机的控制流驱动方式。设计数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。

（4）彻底跳出电子的范畴，以其他物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等，众多科学家正为进行这些前瞻性的研究。2.5.2未来计算机系统发展趋势2.5.2未来计算机系统发展趋势

2.未来计算机的发展方向

虽然基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台，但世界各国的研究人员都在加紧研究开发新型计算机，未来计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。高性能化微型化网络化智能化2.5.2未来计算机系统发展趋势

3.新型计算机

基于当前计算机技术与电子信息技术的快速发展，以及不同领域对计算机技术的要求不断提高，新型的光子计算机、量子计算机、纳米计算机等将在未来走进我们的生活。光子计算机量子计算机纳米计算机云计算第2章062.6.1什么是云计算

云计算是分布式计算技术的一种，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。案例：智慧交通

路线规划

云计算的特点：（1）快速弹性。弹性是指根据需要可伸缩地使用资源的能力。对于消费者来说，云似乎是无限的，消费者可以根据需要购买计算力资源。（2）测量服务。在测量服务中，云服务提供商控制和监视云服务的各个方面。这对计费、访问控制、资源优化配置、容量规划和其他任务来说至关重要。（3）按需自助服务：这意味着消费者可以根据需要使用云服务，不需要与云服务提供商进行人机交互。（4）无处不在的网络接入：无处不在的网络接入意味着用户可以通过网络获取云服务商的能力。2.6.1什么是云计算2.6.2我国云计算发展现状

我国企业积极投身于云计算产业中，以阿里云、华为云、腾讯云、百度智能云、京东智联云等为代表的中国云计算公司迅速崛起。2.6.3虚拟化技术

虚拟化是云计算的一项核心技术，在云计算中起着重要作用，对于按需提供IT基础架构的解决方案尤其重要。虚拟化可以为运行中的应用程序创建安全、定制化和隔离的执行环境，即使它们不受信任，也不会影响其他用户的应用。

虚拟化本质上是一种允许创建不同计算环境的技术。这些环境可称为虚拟环境，因为它们模拟了客户所期望的接口。虚拟化技术伴随着计算机技术的产生而出现，在计算机技术的发展历程中一直发挥着重要的作用。

虚拟化涵盖了广泛的仿真技术，可应用于不同的计算领域。数十年来，虚拟化已成为IT领域的一部分，如今，它应用于广泛的系统层。对这些技术进行分类有助于我们更好地了解它们的特性和用途。2.6.4云计算的服务层次

在云计算中，硬件和软件都被抽象为资源并被封装为服务，向用户提供；用户以互联网为主要接入方式，获取云中提供的服务。谢谢大家观看第2章讲课人：***算法与程序设计第3章讲课人：***目录01中国古典数学02算法概述03算法策略04经典算法设计05程序设计知识导图本章节主要为同学们介绍算法及程序设计的相关知识。程序员的主要任务是根据用户的需求为计算机设计算法。计算机的工作特点是可以快速地重复，因此，算法多是“重复”，表现为循环和递归。循环是有条件的重复。穷举与迭代最常见。嵌套的循环往往意味着“自顶向下，逐步求精”，多用于处理复杂的问题。递归算法是“规模上”的重复，可完美解决特定的问题。本章最后简要介绍了一些常见的查找与排序算法及程序设计语言。本章内容中国古典数学第3章01作为世界四大文明古国之一，中国从很早开始就发展出了自己的数学体系。商代的甲骨文上出现了完整的十进制，春秋时代严格的筹算已经成型并得到了广泛的应用，战国时代《考工记》中实用的几何知识流传到今天。《张丘建算经》：最小公倍数的应用、等差数列各元素互求、“百鸡术”。《周髀算经》：勾股术。《九章算术》：开平方和开立方的方法、一般一元二次方程(首项系数不是负)的数值解法。《海岛算经》：“割圆术”开创了中国古代圆周率计算方面的重要方法。算法概述第3章023.2.1算法的概念所谓算法，就是指完成某一特定任务所需要的具体方法和步骤的有序集合。“有序”说明算法中的步骤是有顺序关系的。同时，算法所描述的步骤也应该是“明确的”和“可执行的”，这样算法才可以实现。著名的计算机科学家尼古拉斯·沃斯（NiklausWirth）曾提出一个著名的公式：

程序=算法+数据结构3.2.2算法的特征有穷性（Finiteness）确切性（Definiteness）输入项（Input）输出项（Output）可行性（Effectiveness）3.2.3算法的描述1.自然语言表示法2.伪代码表示法3.流程图表示法4.N-S图表示法算法策略第3章033.3.1循环计算机的工作特点是可以高速地重复，因此在设计算法时常用循环（特定条件下的重复）解决问题。1.模拟重复以编程计算1+2+3+…+100的和为例来说明如用循环解决问题。先求1+2+3+4+5的和。1+2+3+4+5=3+3+4+5=6+4+5=10+5=15整个计算过程就是重复算加法。什么数在相加呢？前一次的和与新的加数。用存储单元sum存储和，存储单元i存储加数，计算过程就是把把sum中的数与i中的数相加，结果还存入sum中。这个过程可记为sum=sum+i;。人工计算

1+2+3+4+5=3+3+4+5=6+4+5=10+5=15代码命令sum=1,i=2;sum=sum+i;i=i+1;sum=sum+i;i=i+1;sum=sum+i;i=i+1;sum=sum+i;i=i+1;计算过程的模拟用循环计算sum=1,i=2;sum=sum+i;i=i+1;sum=sum+i;i=i+1;sum=sum+i;i=i+1;sum=sum+i;i=i+1;intsum=1,i=2;while(i<=5){sum=sum+i;i=i+1;}1+2+3+4+5intsum=1,i=2;while(i<=5){sum=sum+i;i=i+1;}1+2+3+…+100intsum=1,i=2;while(i<=100){sum=sum+i;i=i+1;}用循环计算1+2+3+…+1002.穷举与迭代尝试所有可能的选项以找到正确答案的方法又称为穷举法。一百个僧人分一百个馒头，大僧每人分三个，小僧三人分一个，正好分完。问大小僧各几人？尝试所有的可能。大僧1人时，小僧（100-1）人，需要馒头3*1+(100-1)/3个，如果馒头的个数等于100，就找到了答案，输出大小僧的人数；否则，就不输出。大僧2人时，小僧（100-2）人，需要馒头3*2+(100-2)/3个，如果馒头的个数等于100，就找到了答案，输出大小僧的人数；否则，就不输出。……大僧33人时，小僧（100-33）人，需要馒头3*33+(100-33)/3个，如果馒头的个数等于100，就找到了答案，输出大小僧的人数；否则，就不输出。穷举法整个过程可描述为。//大僧1人时当3*1+(100-1)/3==100时，输出大僧:1,小僧:100-1;//大僧2人时当3*2+(100-2)/3==100时，输出大僧:2,小僧:100-2;……//大僧33人时当3*33+(100-33)/3==100时，输出大僧:33,小僧:100-33;显然大僧的